2种吸附剂对鸡粪厌氧发酵产气特性的影响

曾瑞媛，冉薛伶，王彦博，王晓娇，冯永忠，韩新辉，杨改河，任广鑫

(1 西北农林科技大学 农学院，陕西 杨凌 712100；2 陕西省循环农业工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100)

随着强农惠农政策的实施，畜禽养殖业得到快速发展，呈现集约化、规模化的发展态势[1-2]，规模化的畜禽养殖业满足了人民对肉蛋奶产品的需求，但同时也产生了大量畜禽养殖废弃物。据统计，一个年出栏10万羽鸡的规模化养鸡场，每天产鲜粪可达10 t，累积年产鸡粪达0.36万t[3]。由于鸡饲料养分含量高，而鸡无牙齿咀嚼且消化道短，消化能力弱，对饲料消化吸收率低，有40%～70%未被吸收的营养物随鸡粪排出体外，因此鸡粪中含有丰富的营养物质[4]。如果大量鸡粪未处理或不合理处理将会带来许多问题，不仅对生态环境造成极大威胁，而且会导致鸡肉及相关产品的污染，增加疾病传播机会[5-6]。

厌氧发酵又称厌氧消化，指在厌氧环境中，各种大分子有机物被微生物分解，最后形成沼气的过程，是畜禽粪便资源化循环利用、无害化处理广泛使用的技术[7-9]。鸡粪是富氮性原料的代表，在厌氧发酵过程中易对发酵系统形成氨态氮抑制[5,10-11]。Abouelenien等[12]研究表明，降低鸡粪中的氨态氮浓度，可以增加鸡粪厌氧发酵沼气产量。大量研究表明，外源添加剂能促进厌氧发酵体系中养分的平衡，并通过增加酶活性等来加强厌氧发酵过程，常见的添加剂类别有菌类、水解酶类、微量元素类、吸附剂、螯合剂以及营养元素等[13-14]。常见的吸附剂有以下优点：(1) 对于有害物质，如色素、重金属、有害气体和抗生素等具有吸附解吸作用，降低环境中有害物质带来的毒害；(2)吸附剂内部具有较大孔隙结构，其不仅能吸附大量微生物，提高微生物密集度，而且这种结构提供了有利于微生物生长发育的环境，可加快微生物水解有机物质的进程，提升系统对抗负效应的缓冲能力;(3)能够提供碳源和其他营养元素，平衡原料碳氮比，从而提高厌氧发酵沼气产量和产气效率[15-16]。生物炭和纳米零价铁(nano zero-valent iron,nZVI)为污水处理中常见的2种吸附剂，其中生物炭具有孔隙结构发达、比表面积较高、表面含有丰富元素成分和活性官能团、吸附结合能力强等特征，可有效提升对厌氧发酵系统酸、氨等抑制物质的缓冲能力[17-19]；nZVI具有粒径小、比表面积大(比表面积为33.5 m2/g，而普通铁粉的比表面积仅为0.9 m2/g)的特殊结构,以及反应活性高、还原能力强和吸附活性高的特性，并且在氧化还原反应过程中易于被氧化成Fe2O3或Fe3O4氧化物，因此nZVI在去除厌氧发酵过程中的污染物方面得到应用[20-21]。

目前，关于生物炭和nZVI在厌氧发酵上的研究还较少，因此本研究以鸡粪为原料，分别添加不同质量分数的生物炭和nZVI进行中温批式厌氧发酵，探索生物炭和nZVI对鸡粪厌氧发酵过程产气特性的影响，寻求生物炭和nZVI促进厌氧发酵的最佳添加量，旨在为富氮原料底物鸡粪的高效厌氧发酵提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鸡粪取自陕西杨凌某蛋鸡养殖场，手工剔除新鲜鸡粪中肉眼可见的杂物。发酵接种物取自杨凌示范区崔西沟村常年稳定运行发酵池中的沼液。生物炭购自南京智融联科技有限公司，裂解温度400 ℃。nZVI购自北京德科岛金科技有限公司，平均粒径80～100 nm，纯度大于99.99%。发酵原料鸡粪、接种物及生物炭的特性如表1所示。

表1 发酵原料鸡粪和接种物及生物炭的特性Table 1 Fermentation characteristics of raw materials and biochar

1.2 试验装置

试验装置为自制的可控恒温厌氧发酵装置,主要由控温仪、发酵瓶和集气瓶等组成，其结构示意见图 1。本试验选用1 000 mL三角瓶作为发酵装置，顶部橡胶塞上设有导气孔和取样孔，导气孔通过橡胶管连接集气装置。发酵瓶放置于恒温水槽内，水槽底部有1 000 W的电热丝，可以加热以提高水温。加热丝由智能温度控制仪(型号：PC-1000)和继电器控制，可显示发酵温度，以保证发酵瓶内温度恒定在(35±1 ) ℃。

1.温控仪 Temperature controller；2.传感器 Sensor；3.加热丝 Heating wire；4.取样口 Sample hole；5.发酵瓶 Substrate；6.恒温水槽 Constant temperature tank； 7.集气瓶 Gas collector；8.量筒 Burette图1 恒温厌氧发酵装置Fig.1 Constant temperature anaerobic fermentation device

1.3 试验方法

以鸡粪为发酵原料进行中温(35±1) ℃恒温批次试验。在发酵瓶中分别加入质量分数为0%，2.5%，5%，7.5%，10%的生物炭和质量分数为0%，0.25%，0.5%，0.75%，1%的nZVI，分别记为B0、B2.5、B5、B7.5、B10和N0、N0.25、N0.5、N0.75、N1，其中B0和N0为对照。试验设计如表 2所示。每处理3个重复，发酵总体积为700 mL，底物总固体质量分数为8%，发酵周期51 d，总固体质量和挥发性固体质量于试验开始前测定，发酵开始后每天测定沼气产量和甲烷含量(体积分数)；发酵第1，7，14，21，31，41和51天取样并进行pH、挥发性脂肪酸(VFAs)和氨态氮质量浓度的测定。为保证底物混合均匀，每天定时手动摇晃所有发酵瓶1～2 min。

表2 鸡粪厌氧发酵产气试验设计Table 2 Experimental design of anaerobic fermentation of chicken manure

1.4 测定项目及方法

发酵体系中的总固体(TS)质量：将样品放入(105±5) ℃的烘箱中烘至质量恒定，冷却后称质量[22]；挥发性固体(VS)质量：将测定完TS质量后的样品在(550±20) ℃ 的马弗炉中烘至质量恒定，冷却后称质量，用TS减去冷却后质量即得VS质量[22]； pH值使用便携式pH计(PHB-4，杭州)测定；挥发性脂肪酸(VFAs)质量浓度采用分光光度计法测定；氨态氮质量浓度采用溴甲酚绿-甲基红指示剂滴定法测定；沼气产量采用排水集气法测定，甲烷含量(体积分数)使用沼气气体成分分析仪(Gasboard-3200p，武汉)测定；TS产气效率计算方法：沼气总产气量除以总固体质量；VS产气效率计算方法：沼气总产气量除以总挥发性固体质量。

1.5 数据处理与分析

用Excel 2019和SPSS 26软件进行数据处理与分析，用Origin 2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 吸附剂对鸡粪厌氧发酵累积沼气产量的影响

由图2-A可知，添加不同质量分数生物炭后，鸡粪厌氧发酵累积沼气产量随着发酵时间的延长总体不断增加，变化趋势基本相同。试验结束时，添加生物炭各处理的累积沼气产量显著高于对照(P<0.05)，其中添加5%生物炭(B5)处理的累积沼气产量最高，达到21 532 mL，对照组(B0)累积沼气产量最低，为11 101 mL，B2.5、B5、B7.5、B10处理与对照(B0)相比累积沼气产量分别提高了64%，94%，89%和60%。这可能是因为生物炭为富氮底物鸡粪提供了有机碳源，平衡了鸡粪厌氧发酵碳氮比，并且生物炭巨大的比表面积能够吸附微生物及其所需的多种营养物质，为厌氧发酵微生物提供了良好的栖息环境，富集了微生物群落[17,23-24]，从而提高了鸡粪厌氧发酵的沼气产量。

图2 生物炭(A)及nZVI (B)对鸡粪厌氧发酵过程中累积沼气产量的影响Fig.2 Cumulative production of biogas during anaerobic fermentation with biochar (A) and nZVI (B)

由图2-B可知，添加不同质量分数nZVI后，鸡粪厌氧发酵累积沼气产量随发酵时间的延长呈增加趋势。 试验结束时，N0、N0.25、N0.5、N0.75和N1处理间累积沼气产量无显著差异(P>0.05)，其中N0的累积沼气产量最高，达到11 101 mL。可知添加nZVI对鸡粪厌氧发酵产气没有提高作用。

2.2 吸附剂对鸡粪厌氧发酵平均沼气产量及甲烷含量的影响

不同吸附剂对鸡粪发酵过程中平均沼气产量和甲烷含量(体积分数)的影响如图3所示。由图3可知，随着生物炭添加量的增加，平均沼气产量呈单峰变化趋势，添加5%生物炭(B5)处理的平均沼气产量最高，达到414 mL/d，较对照(B0)提高了94%，可知在鸡粪厌氧发酵过程中添加5%生物炭的产气效率最高。与对照相比，添加生物炭处理能显著提高甲烷含量(P<0.05)，这可能是由于生物炭中裸露的-OH与发酵所产生的CO2结合，这使得溶液中部分CO2转化成了甲烷，从而使气体中甲烷含量提高[25-26]；此外，由于生物炭具有较大孔隙，有利于甲烷菌富集，促进丙酸盐向乙酸盐转化，间接促进了甲烷的生成[27]。

图3 生物炭(A)和nZVI(B)对鸡粪厌氧发酵过程中平均沼气产量和甲烷含量的影响Fig.3 Effect of biochar (A) and nZVI (B) on average biogas production and methane content during anaerobic fermentation

添加nZVI后，平均沼气产量随着nZVI添加量的增加呈先降后增再降的变化趋势。与其他处理相比，添加1% nZVI处理显著提高了厌氧发酵甲烷含量，这是因为nZVI快速与混入发酵瓶中的氧气进行了氧化还原反应，降低了氧气分压，使发酵更快速达到厌氧环境，从而更有利于甲烷生成；并且nZVI本身氧化生成的Fe3O4能够降低丙酸分解产生的吉布斯自由能，促进同型产乙酸反应降低氢分压，使丙酸更易向乙酸转变，从而提高了甲烷含量[28]。

2.3 吸附剂对鸡粪厌氧发酵过程中pH值和VFAs的影响

厌氧发酵体系酸碱性受复杂的微生物代谢和生物化学过程的控制，并且受气相与液相间CO2平衡、液相内酸碱平衡以及固相与液相间溶解平衡等共同作用的影响[29]。图4显示了不同质量分数生物炭和nZVI对鸡粪厌氧发酵过程中pH和VFAs质量浓度的影响。

图4 生物炭(A)和nZVI(B)对鸡粪厌氧发酵过程中pH值的影响Fig.4 Effect of biochar (A) and nZVI (B) on pH during anaerobic fermentation of chicken manure

图4显示，B2.5、B5、B7.5和B10处理在厌氧发酵过程中的pH值在6.78～8.64，随着发酵时间的增加，pH总体呈上升-下降-上升的趋势。N0.25、N0.5、N0.75和N1处理在厌氧发酵过程中的pH值为6.76～8.48，随着发酵时间增加，pH总体呈逐渐上升趋势。在发酵初期(1～7 d)，各处理的pH值均较低，这是因为此时水解酶活性高，提高了发酵系统内VFAs质量浓度，导致厌氧发酵溶液内的pH值均下降[30]。随着厌氧发酵的进行(7 d以后)，添加生物炭处理的pH值先迅速升高后接着小幅下降最后再次攀升直到8.0以上；而添加nZVI处理的pH值快速上升后逐渐平稳上升到8.0以上，且发酵结束时各处理的pH值均高于对照，这说明加入吸附剂后提高了体系pH值，减少了系统酸化的可能性。一般认为，适宜产甲烷微生物生存的pH值为6.8～7.8，低于6.5或高于8.0都会对其产生明显的产气抑制[31]，虽然本试验pH值高出理论适宜值，但发酵过程中并未出现产气抑制现象，说明2种吸附剂平衡了高pH的负效应。

在厌氧发酵过程中，发酵微生物对原料进行分解并释放多种有机化合物，其中VFAs是厌氧发酵重要的中间产物或最终产物[32]，其浓度高低影响着厌氧发酵过程，是衡量水解酸化和产甲烷过程是否平衡的重要指标[33]。如图5所示，随着发酵时间的延长，添加生物炭和nZVI后，发酵过程中VFAs质量浓度呈上升-下降-上升-下降的变化趋势。在发酵初期(1～7 d)，各处理VFAs为升高趋势，除了B2.5处理以外，其余处理均在第7 天时VFAs质量浓度达到最大值。7 d之后，VFAs质量浓度迅速下降，这表明产甲烷菌开始大量利用积累的VFAs。在发酵中期(14～31 d)，各处理VFAs质量浓度总体上升，这是因为随着发酵时间的增加及总固体质量的逐渐减少，发酵微生物不断繁殖使得发酵液中生成大量酸性物质，从而导致VFAs质量浓度有所升高[34]。

图5 生物炭(A)和nZVI(B)对鸡粪厌氧发酵过程中VFAs质量浓度的影响Fig.5 Effects of Biochar (A) and nZVI (B) on VFAs of anaerobic fermentation of chicken manure

2.4 吸附剂对鸡粪厌氧发酵体系中氨态氮质量浓度的影响

由于鸡粪为富氮原料底物，因此鸡粪厌氧发酵过程中氨态氮质量浓度较高，本试验中各处理氨态氮质量浓度为1 469.89～2 609.60 mg/L。图6显示，添加生物炭后，在发酵前期(1～14 d)，有机物大量水解导致氨态氮质量浓度快速增加；之后随着时间的推移，大量微生物繁殖并且利用了水解的氨态氮，因此发酵溶液中氨态氮质量浓度开始下降，20～40 d后由于厌氧发酵系统运行稳定，对N需求降低，氨态氮质量浓度基本保持动态稳定状态；40 d之后各处理氨态氮质量浓度略有升高。添加nZVI之后，在发酵前期(1～14 d)氨态氮质量浓度总体升高，并于第14天达到峰值；之后随着时间的推移氨态氮质量浓度总体呈下降趋势。在本试验中，即使生物炭和nZVI处理的氨态氮质量浓度分别高达2 508.80和2 609.60 mg/L时，厌氧发酵产气也并未出现抑制，这可能是因为2种吸附剂对溶液中氨态氮等抑制性物质有一定吸附性，因此提升了发酵系统的缓冲能力，保证了厌氧发酵过程的动态平衡[34]。

图6 生物炭(A)和nZVI(B)对鸡粪厌氧发酵氨态氮质量浓度的影响Fig.6 Effects of biochar (A) and nZVI (B) on ammonia nitrogen of anaerobic fermentation of chicken manure

2.5 吸附剂对鸡粪厌氧发酵效率的影响

表3显示，与对照相比，添加生物炭处理的TS和VS产气效率均显著增加(P<0.05)，其中5%生物炭处理(B5)的 TS和 VS产沼气效率最高，分别为384.50和 558.98 mL/g。添加5%生物炭处理组各项产气参数最优，且发酵产气效率最高。与对照相比，添加nZVI的TS和VS产气效率均降低，表明nZVI对于鸡粪厌氧发酵的产气效率没有促进作用。

表3 添加生物炭和nZVI之后鸡粪厌氧发酵产气效率的比较Table 3 Comparison of gas production efficiency of anaerobic fermentation of chicken manure after adding biochar and nZVI mL/g

2.6 生物炭在厌氧发酵体系中基于数学模型的最优添加量

用SPSS软件对试验结果进行分析，利用二次曲线模型进行非线性回归，得出累积沼气产量(f(x))与生物炭添加量(x)的回归方程为：

f(x)=-45.045x2+1 280.526x+11 267.257。

从方差分析结果可以看出，方程中的一次项、二次项和常数项均达到显著水平(P<0.05)，模型的R2为0.996。由回归方程拟合结果得出，当生物炭添加量(x)为15.32 g时，累积沼气产量最高可达21 844.75 mL。

3 结 论

添加生物炭对鸡粪厌氧发酵有促进作用，其不仅能稳定系统环境，而且能提高累积沼气产量，在以250 g干鸡粪为发酵原料，发酵总体积700 mL，发酵温度(35±1) ℃的条件下，当生物炭添加量为15.32 g时，累积沼气产量最高为21 844.75 mL；添加nZVI对鸡粪厌氧发酵产沼气影响无促进作用。